第三章结构试验的量测技术11年to结8学生-365409849

第三章

结构试验的量测技术

(MeasuringTechniques

forStructure-testing)2023年7月14日1第三章结构试验的量测技术3.1概述(General)3.2应力（应变）测量（StrainMeasurement）3.3振动参数测量（VibrationMeasurement）3.4其它测量方式

3.1概述(General)对于人类，试验量测的水平反映了人类认识客观事物的水平对于一个国家，量测技术的状态反映了国家经济发展和科学技术发展的水平。比如航天领域，对飞上太空的火箭和卫星的各个部件都需要做试验，试验同时要测量大量数据对于个人，体重体温

3.1概述(General)3.1概述(General)“科学，只有当人类懂得测量时才开始”

--门捷列夫量测技术已成为一门学科，它对各个领域的科研工作都有着重要的意义。非电量的电量测3.1概述(General)3.1.1量测技术的内容3.1.1.1量测技术包括：量测方法:机、电、光、声量测工具量测误差分析

3.1.1.2结构试验量测的主要内容：力、应力、应变、位移（挠度）、温度、湿度3.1概述(General)3.1.1.3量测仪表的基本组成由三大部分组成

放大部分显示和记录部分感受部分3.1.1.3量测仪表的基本组成3.1.2测量仪器的选用原则3.1.2.1量测仪表的主要性能指标1.量程(range)：仪器可以测量的最大范围。2.精确度(accuracy)：仪器提示值与（不确定度）被测量之间的符合程度。3.刻度值（indicator）：仪器显示部分最小刻度所代表的被测量的数值。3.1.2.1量测仪表的主要性能指标4.灵敏度(sensitivity)：在静态量测时单位输入量所引起的仪表输出值的变化。例如：百分表mm/mm(0.01)

千分表mm/mm(0.001)

力传感器应变/千克（吨）

(例如上个学期的砼教学试验课，使用的应变原理的力传感器)5.分辨率：测量被测物理量最小变化值的能力。6.稳定性：量测的物理量数值不变，仪器在规定时间内保持示值与自身特性参数不变的能力．例如零漂：零位温度漂和满量程温度漂移。3.1.2.1量测仪表的主要性能指标7.线性范围：保持仪器输入量和输出量之间成线性关系的最大范围。8.频响特性：对于动态传感器，有的高频灵敏，有的低频灵敏（如话筒），针对具体对象必须使用线性段。9.相移特性：在使用频率范围内，输出信号相对于输入信号的相位差，应不随频率改变而改变。对于多点同时测振，各个传感器之间应具有相同的相位差。3.1.2测量仪器的选用原则3.1.2.2符合量测所需的量程及精度要求。最小刻度值≤5%最大被测值最大被测值≈2/3满量程3.1.2.3安装在结构上的仪表和传感器，其自重和刚度不影响结构的工作。3.1.2.4动态试验用传感器和其它仪器要求频率范围、频响特性符合要求。3.1.2.5满足环境要求：野外或施工现场。3.1.3量测仪表的率定（Calibration）3.1.3.1到国家计量机构确认的，具有一定精度等级，且精度等级比被率定设备的精度等级高的仪器上率定。3.1.3.2无上述条件时，可以用精心保管的相同精度等级的仪器作为“标准”仪器来率定。3.1.3.3用标准试件来率定。3.1概述(General)3.1.4测量数值表示方法：偏位法：例如指针式称，当前的数值显示零位法：例如天平

3.2应力（应变）测量（StrainMeasurement）3.2.1概述3.2.2机械方法应变量测3.2.3电阻应变方法3.2.4电阻应变仪3.2.5电阻应变测量的特点和种类3.2应力（应变）测量

3.2.1概述结构试验的一个主要任务是；量测结构内部的应力了解结构的应力分布，找出最大应力值最大位移值直接量测应力比较困难，较好的方法是借助于量测应变值通过材料的应力-应变关系关系曲线或方程将应变值换算成应力值。

3.2应力（应变）测量

3.2.1概述结构在受到荷载和温度作用，构件各部位将产生不同大小和方向的位移。位移相对位移应变

3.2应力（应变）测量

3.2.1概述试验中所测应变值是在一定长度范围（称为应变计的标距）内的长度变化后面的分析和讨论涉及材料力学数学-几何电工学-电桥

3.2应力（应变）测量

3.2.1概述关于应变测量的标距对于应变梯度较大或像混凝土等非均质材料就应适当选择应变计标距L。

砼：标距大于2~3倍最大骨料粒径砖石结构：大于6皮砖木结构：不小于20cm

3.2.2机械方法应变量测3.2.2.1基本原理是利用机械杠杆、齿轮放大的方法。3.2.2.2特点：1）仪器可单独、重复使用。2）仪器简单，使用简单，读数直接。

3）经济。

4）标距大。3.2.2.3种类：1）手持应变仪。

2）双杠杆应变仪。构造：放大倍数

3.2应力（应变）测量

3.2.1概述关于应变测量中应变量的分析标距L=200mm的手持应变仪，用千分表进行量测读数，读数为3小格，测得应变值为（表示微应变）

读数为1小格，5L=100mmL=50mm3.2.3电阻应变方法最早可以追溯到公元1856年，当时英国工程师汤姆逊（Thomson.W）在指导敷设大西洋海底电缆时，发现海底电缆的电阻随海水深度不同而变化。随后他对铜丝和铁丝进行了拉伸测试，并发表论文提出电阻变化率的理论。但由于当时技术水平的限制，这一重要发现并未应用于科研和生产领域。3.2.3电阻应变方法直到1936年由E.Simmons和A.Ruge制造出了基于电阻的应变计。特别是二次大战期间由于需要对飞机结构的受力性能和飞行中结构的应变进行实测才促进了电阻应变量测技术的迅速发展。其后，由于电子技术水平的提高，此技术也日臻完善。3.2.3电阻应变方法3.2.3.1电阻应变计工作原理

3.2.3电阻应变方法R：金属丝电阻（）

：金属丝电阻率

L：金属丝长度（m）

A：金属丝截面积（mm）3.2.3电阻应变方法(1+2v)ε

>>至此证明电阻的变化率与被测的应变量是常数即金属丝产生单位变形时，电阻变化的大小与之成线性关系

3.2.3电阻应变方法

称为金属丝的灵敏系数，即金属丝产生单位变形时，电阻变化的大小。通过更深层研究,认为ρ与材料变形时自由电子的活动能量和数量发生变化有关。测定的办法是在每批产品中提取约5%，一般在1.7~3.6之间，多在2.0附近。

3.2.3电阻应变方法3.2.3.2电阻应变片的构造和性能构造：基底：纸、胶、环氧树脂，0.03~0.05mm。电阻丝：金属丝、金属箔、半导体，0.025mm。覆盖层：一般同基底。引线：铜，镀焊，注意有正反面。3.2.3.2电阻应变片的构造和性能3.2.3.2电阻应变片的构造和性能3.2.3.2电阻应变片的构造和性能性能：标距：有效长度，根据被测材料选择。阻值：120较多。使用面积：标距片宽a灵敏系数：K应变极限：能量测的最大应变（1~37%）一般10000~30000机械滞后：动态测最重要疲劳寿命：绝缘电阻：温度特性：3.2.4电阻应变仪当R=120Ω时ΔR=0.24Ω直接测量，由于信号很弱，很难，需将弱信号放大用电阻应变仪测量电路放大电路检波显示3.2.4电阻应变仪3.2.4.3电桥（Weston电桥）电阻应变仪是采用某种测量线路把电阻应变计的电阻变化转换成ΔU和ΔI。近年来，各种新式仪器不断被研制出来，但基本原理均是如此。3.2.4.3电桥当

时UBD=0即电桥平衡

不满足上式时，UBD有输出，且十分敏感。

3.2.4.3电桥3.2.4.3电桥当电桥满足①，且有微小变化时

电路中

3.2.4.3电桥3.2.4.3电桥3.2.4.3电桥R1=Ra+Rb

3.2.5电阻应变测量的特点和种类

3.2.5.1特点优点：体积小：标距最小0.2mm灵敏度高：1µε，半导体可到0.1µε测量范围大：±20,000µε，特大200，000µε阻尼小，频率响应好，秒半导体秒工作范围宽：采取特殊措施，在高温（400~500度）、高压、高真空、强磁场3.2.5电阻应变测量的特点和种类

3.2.5.1特点缺点：消耗性，不重复测结构表面标距限制，平均应变，梯度大时不精确

3.2.5.2电阻应变原理用于力、位移等参数的量测

3.3振动参数测量

（VibrationMeasurement）

3.3.1概述3.3.2拾振传感器的传感原理3.3.3放大器和记录仪器3.3.1概述传感器放大器记录器数据处理仪振动参数将振动信号（参数）转换成很弱的电信号，输出给放大器（实现振动量和电量的转换）。将传感器输入的弱电信号进行放大，再输入给记录仪器和数据处理仪器。将放大后的信号显示或记录。对上述信号进行处理和分析。3.3.2拾振传感器的传感原理静力试验量测位移：对于振动问题—有时很难找到绝对静止的

参考点在拾振器内建立质量弹簧系统以此建立一个相对静止的基准3.3.2拾振传感器的传感原理惯性体系无阻尼自振频率：

3.3.2拾振传感器的传感原理设

xs—传感器的受干扰振动

Xs—干扰振动的振幅阻尼比：3.3.2拾振传感器的传感原理3.3.2.1位移传感器ω为外界激振的频率

说明xs的变化和Xs的变化规律相同，以同一频率ω振动，只是振幅不同，且有相位差φ。3.3.2.1位移传感器

设振幅：3.3.2.2加速度传感器3.3.2.3拾振器量测参量的转换

电磁式：利用电磁感应原理，导线在磁场中切割磁力线，产生感应电动势

B—磁缸磁感应强度

l—每匝线圈的平均长度

V—线圈相对于磁缸的速度这是一种速度型传感器：e同仪器外壳的速度成正比。特点：体积大、重、应用普遍*这是一种速度型传感器：同仪器外壳的速度成正比。特点：体积大、重、应用普遍。

3.3.2.3拾振器量测参量的转换*压电式—晶体Piezoelectric压电晶体：有外界压力，表面有电荷。*电容式、差容式加速度计*电阻片式*机电耦合伺服式3.3.3放大器和记录仪器

放大器：电压放大器——电磁式电荷放大器——压电式配微分器、积分器注意：输入特性与传感器的输出特性（阻抗、频率范围）匹配

3.3振动参数测量

第三章结构试验的量测技术3.1概述(General)3.2应力（应变）测量（StrainMeasurement）3.3振动参数测量（VibrationMeasurement）3.4其它测量方式

3.4其它测量方式光纤传感

3.4.1什么是光纤传感器及其特点3.4.2光纤传感器分两大类3.4.3光纤传感器的简单使用dLDDDD1D2DdLDDDdLDDDD1D2D1D2DD3.4.2光纤传感器分两大类功能型传感器：a利用光纤本身的特性；b将光纤作为敏感元件；c传感型光纤传感器。非功能型传感器：a光纤仅作为光的传输介质；b利用其他敏感元件感受被量测变化；

3.4.3光纤传感器的应用

光栅光纤光纤光栅（FBG）传感器是20世纪90年代光纤传感器领域最主要的发明。FBG是一种光纤无源器件，具有可靠性好，测量精度高，抗电磁干扰，抗雷击等特点。一根光纤上连接多个不同波长的FBG传感器，可以组成分布式测量系统，实现一根光缆定位测量的目的。与传统的传感器安装相比，节省了大量的电缆及施工费用。583.4.3光纤传感器的应用

光纤光栅传感器特点：传感器属无源器件，可靠性高，本质防爆，抗雷击，抗强电磁干扰。布点容量大超远距离信号传输高速动态在线监测精度高，重量轻，体积小无零漂，系统稳定，维护成本低采用波分复用技术能在一根光纤中串接多个光纤光栅传感器进行分布式测量，施工方便节省传输光缆。593.4.3光纤传感器的应用

光栅光纤传感器可监测的物理量温度监测应变监测位移监测应力监测压力监测芯区包层涂覆层光纤由纤芯、包层和涂覆层组成。由于各层的折射率不一样，使光线束缚在芯区传输。折射率剖面光纤简介

光栅是在纤芯折射率基础上进行调制，使芯区折射率呈周期性变化。栅区涂敷层包层光纤光栅

光纤光栅工作原理

光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论3.4.3光纤传感器的应用

光栅光纤目前三种最常用敏感元件的应用

电阻应变片成本较低试验室试验目前应用最多光纤成本最高试验室试验和现场试验目前发展最快振弦式传感成本较高现场长期检测试验